بتن‌ریزی در هوای سرد

مقدمه

وقتی دما پایین است، بتن‌ریزی با چالش‌های جدی روبه‌رو می‌شود. علت اصلی این است که واکنش هیدراسیون بین سیمان و آب در دماهای پایین کند می‌شود، و اگر بتن تازه منجمد شود قبل از آنکه ظرفیت مناسبی برای مقاومت پیدا کند، ساختار بتنی آسیب می‌بیند.
بتن منجمد پیش از دستیابی به مقاومت کافی، ممکن است ترک‌ خوردگی‌های داخلی، کاهش دوام، تخلخل زیاد و کاهش مقاومت نهایی را تجربه کند.

بنابراین، بتن‌ریزی در هوای سرد نیازمند پیش‌بینی، کنترل دما، محافظت، انتخاب مصالح و روش‌های اجرایی خاص است.

در این مقاله، ابتدا تعاریف و مبانی علمی را بررسی می‌کنیم، سپس روش‌ها و تکنیک‌های اجرا، استانداردها و ضوابط، توصیه‌های اجرایی و مثال‌ها را ارائه می‌دهیم.

مفاهیم پایه و اثرات هوای سرد بر بتن

تعریف «هوای سرد» در بتن‌ریزی

در استانداردها و دستورالعمل‌ها، معمولاً هوای سرد زمانی در نظر گرفته می‌شود که:

• دمای متوسط روزانه کمتر از حدود ۴ تا ۵ °C باشد، یا
• دمای محیط کمتر از ۱۰ °C برای بخشی از شبانه‌روز باشد.
• بعضی دستورالعمل‌ها می‌گویند اگر دما در طول سه روز متوالی کمتر از ۴۰ °F (حدود ۴.۴ °C) باشد، شرایط هوای سرد حاکم است.

به عنوان مثال، دستورالعمل NRMCA (CIP 27) می‌گوید: اگر طی بیش از سه روز متوالی دمای متوسط روزانه کمتر از ۴ °C باشد، لازم است تدابیر خاصی در بتن‌ریزی به کار گرفته شود.

در راهنمای ACI 306R نیز چنین تعریفی مطرح است. (Concrete)

اثرات منفی هوای سرد بر بتن

در ادامه برخی از اثرات منفی هوای سرد بر عملکرد بتن را بررسی می‌کنیم:

1. کندی هیدراسیون و افزایش زمان گیرش
   با کاهش دما، سرعت واکنش شیمیایی بین سیمان و آب کاهش می‌یابد، بنابراین زمان تنظیم اولیه و نهایی افزایش می‌یابد.
   به‌عنوان قاعده سرانگشتی، کاهش دما به میزان ۱۰ °C تقریباً زمان گیرش را دو برابر می‌کند.
2. خطر یخ‌زدگی زودرس
   اگر آب در خلل و فرج بتن تازه یخ ببندد، باعث افزایش فشار داخلی، ترک‌های ریز و افت مقاومت می‌شود.
   از لحاظ عددی، بتن ممکن است وقتی دما به زیر حدود –۴ °C (25 °F) برسد منجمد شود.
3. کاهش مقاومت نهایی و دوام
   اگر بتن منجمد شود پیش از آنکه مقاومت ابتدایی کافی پیدا کند، ممکن است تا ۵۰٪ از ظرفیت مقاومت بالقوه خود را از دست بدهد.
   همچنین دوام بتن تحت سیکل‌های یخ‌زدگی-ذوب و تأثیر عوامل یخ‌زدگی کاهش می‌یابد.
4. افزایش تخلخل و نفوذپذیری
   یخ‌زدگی درون خلل و فرج باعث آسیب میکروسکوپی داخلی شده و راه ورود رطوبت، یون‌ها و مواد مهاجم را تسهیل می‌کند.
5. پدیدار شدن ترک حرارتی (Thermal Cracking)
   اگر تفاوت دمای بخش سطحی و داخلی بتن زیاد باشد (مثلاً اختلاف بیش از حدود ۲۰ °C)، تنش‌های حرارتی ممکن است باعث ترک شوند.
6. بنابراین، برای اجرای موفق بتن‌ریزی در هوای سرد، کنترل دما و پیشگیری از یخ‌زدگی در مرحله ابتدایی اهمیت بسیار زیادی دارد.

استانداردها، دستورالعمل‌ها و ضوابط مرسوم

چند استاندارد و راهنما در زمینه بتن‌ریزی در هوای سرد وجود دارند که بسیاری از مهندسین و پیمانکاران از آن‌ها استفاده می‌کنند:

چند نکته مهم از این استانداردها:

• طبق CIP 27، هنگام بتن‌ریزی، دمای بتن به هنگام قرارگیری باید حداقلی داشته باشد (برای مقاطع کوچک‌تر حدود ۱۳ °C، برای مقاطع بزرگ‌تر حدود ۷ °C).
• در ACI 306، تا هنگامی که بتن مقاومت اولیه کافی (معمولاً حدود ۵۰۰ psi ≈ ۳٫۵ MPa) را پیدا نکند، نباید آن را در معرض یخ‌زدگی قرار داد.
• بسیاری از دستورالعمل‌ها دوره حداقل حفاظت را برای بتن تازه در هوای سرد مشخص می‌کنند؛ برای مثال، اگر دما بین ۰ °C تا ۴ °C باشد، ممکن است لازم باشد ۲ تا ۳ روز محافظت شود.
• بعضی مقررات محلی الزام می‌کنند بتن دارای هوادمی (air-entraining) با میزان خاصی (مثلاً ۵ تا ۷٪) باشد تا مقاومت در برابر سیکل‌های یخ‌زدگی-ذوب افزایش یابد.

تکنیک‌ها و روش‌های اجرایی برای بتن‌ریزی در هوای سرد

اجرای موفق بتن‌ریزی در هوای سرد مستلزم ترکیبی از تمهیدات مهندسی، پیش‌بینی و یک مجموعه تکنیک‌های خاص است. در ادامه مهم‌ترین روش‌ها و توصیه‌های اجرایی را بررسی می‌کنیم.

۱. پیش‌گرمایش مصالح (گرم کردن مصالح اولیه)

برای کمک به این که بتن تازه دمای کافی داشته باشد، می‌توان مصالح زیر را گرم کرد:

• آب گرم: یکی از مؤثرترین موارد؛ معمولاً آب بین ۳۰ تا ۶۰ °C به کار می‌رود، اما نباید دما بسیار بالا باشد که سرعت واکنش را خیلی زیاد کند یا شوک حرارتی ایجاد شود.
• سنگدانه گرم: سنگدانه‌های مرطوب را با بخار، هوای گرم یا سایر وسایل حرارتی گرم می‌کنند تا وقتی با سیمان ترکیب می‌شوند دما زیاد پایین نیاید.
• سیمان گرم (در موارد خاص): در پروژه‌های خیلی حساس ممکن است سیمان را نیز کمی گرم کنند، اما مراقبت ویژه لازم است تا اختلاط یکنواخت حفظ شود.
• پیش‌گرم کردن قالب و آرماتورها: قالب‌ها و میلگردها ممکن است سرد باشند و به سرعت گرما را از بتن تازه بگیرند؛ گرم کردن آن‌ها با هوای گرم یا بخاری می‌تواند مفید باشد.

هدف از گرم کردن مصالح این است که دمای بتن مخلوط در هنگام قرارگیری (placement) در محدوده مناسبی باشد تا روند هیدراسیون مناسب انجام شود.

۲. استفاده از افزودنی‌ها (Admixtures) مخصوص شرایط سرد

بسته به شرایط دما، می‌توان از افزودنی‌هایی بهره برد که عملکرد بتن را در سرما بهبود دهند:

• شتاب‌دهنده‌ها (Accelerating admixtures)
  این افزودنی‌ها موجب تسریع روند هیدراسیون سیمان شده و کمک می‌کنند بتن سریع‌تر مقاومت کسب کند و زودتر بتوان آن را در معرض محیط سرد قرار داد. با این حال، باید از نوع غیرکلریدی استفاده شود تا خوردگی آرماتورها افزایش نیابد.
  شرکت‌های تولید افزودنی، انواع شتاب‌دهنده‌هایی مخصوص هوای سرد عرضه می‌کنند.
• افزودنی‌های ضدیخ (Antifreeze / Freeze-resistant admixtures)
  این افزودنی‌ها کمک می‌کنند بتن تازه تا دماهای پایین‌تر بدون یخ‌زدگی دوام آورد. در مستند FHWA نیز سیستم‌های افزودنی CWAS مورد بحث قرار گرفته است.
  البته عملکرد این نوع افزودنی‌ها محدود به شرایط خاص است و باید مطابق دستورالعمل سازنده به کار روند.
• هوادمی (Air-entraining agents)
  افزودن هوادمی برای ایجاد حباب‌های ریز هوا در بتن، باعث می‌شود هنگام یخ‌زدگی آب در خلل، فشار داخلی کاهش یابد و آسیب کمتری ایجاد شود. معمولاً بین ۴ تا ۷٪ هوا در بتن توصیه می‌شود.
• افزایش مقدار سیمان یا استفاده از سیمان سریع‌گیر (Type III)
  در برخی شرایط، افزایش اندکی مقدار سیمان یا استفاده از سیمان سریع‌گیر می‌تواند به تسریع گیرش کمک کند و دوره محافظت را کاهش دهد.

به‌طور خلاصه، انتخاب مناسب افزودنی‌ها باید بر اساس دما، شرایط محیطی، نوع سازه و حساسیت پروژه انجام شود.

۳. پوشش و محافظت از بتن تازه

پس از بتن‌ریزی، لازم است بتن تازه تا زمانی که مقاومت کافی به دست نیاورده، از یخ‌زدگی محافظت شود.

برخی روش‌های رایج:

• پتوها، پوشش‌های عایق، پتوهای حرارتی
  پوشش‌هایی مانند پتوهای عایق‌شده (insulating blankets)، پتوهای الکتریکی یا پوشش‌های مخصوص حرارتی می‌توانند انتقال حرارت به بیرون را کاهش دهند و دمای بتن را در محدوده مطلوب نگه دارند.
  مثلاً می‌توان پتوهای شیشه‌ای، پتوهای پلی‌استایرن، یونولیت یا پتوهای چندلایه حرارتی استفاده کرد.
• کارگاه‌های گرم‌شده (Heated enclosures / enclosures with heating)
  با ایجاد کابین یا پوشش موقتی که می‌توان آن را گرم کرد (با بخاری، هیترهای برقی یا گازی)، بتن تحت دمای کنترل‌شده قرار می‌گیرد. (Concrete)
  این روش مخصوصاً برای سازه‌های حساس یا فضاهای کوچک کاربرد دارد.
• گرمایش موضعی (Localized heating)
  استفاده از گرمایش تابشی، کابل‌های گرم‌کننده، فرش‌های برقی در زیر سطح بتن یا اطراف آن می‌تواند به حفظ دما کمک کند.
• پوشش موقتی با صفحات عایق (Insulating panels)
  در کنار پتو، از صفحات عایق (مثل یونولیت، پلی‌استایرن، پشم سنگ، فیبر شیشه) در اطراف قالب یا سطح بتن استفاده می‌شود تا تبادل حرارتی با محیط کاهش یابد.
• رطوبت‌داری (Moist curing) در دماهای بالا
  حتی در هوای سرد، نگهداری رطوبت سطح بتن اهمیت دارد؛ در بعضی موارد ممکن است با بخار آب یا پوشش پلاستیکی مرطوب سطح را محافظت کنند.

نکته مهم: محافظت باید از بلافاصله پس از بتن‌ریزی آغاز شود؛ هرگونه تأخیر ممکن است به یخ‌زدگی سطح بتن منجر شود.

۴. ترتیب اجرای بتن‌ریزی و مدیریت زمان

در هوای سرد، زمان‌بندی و ترتیب اجرای عملیات اهمیت زیادی دارد:

• برنامه‌ریزی دقیق و هماهنگی
  پیش از شروع بتن‌ریزی، باید کلیه تجهیزات گرمایی، پوشش‌ها، افزودنی‌ها و مصالح آماده باشند تا هیچ تأخیر غیرضروری ایجاد نشود.
• حجم و ارتفاع لایه‌ها
  ترجیح داده می‌شود ضخامت لایه‌های بتن کمتر باشد تا گرمای تولید شده توسط هیدراسیون سریع‌تر در تمامی بخش‌ها منتقل شود. همچنین، جلوگیری از لایه‌های ضخیم می‌تواند از یخ‌زدگی داخلی در مقاطع بزرگ جلوگیری کند.
• پیوستگی اجرا (Avoid cold joints)
  در هوای سرد، خطر تشکیل محل اتصال سرد (cold joint) بین دو پاشش بتن افزایش می‌یابد؛ باید ترتیب بتن‌ریزی به نحوی باشد که اتصال بین لایه‌ها خوب برقرار شود و درز سرد ایجاد نشود.
• حفظ دمای بتن در طول انتقال و تزریق
  هنگام انتقال بتن از کارخانه مخلوط یا محل نگهداری به محل اجرا، باید زمان انتقال کوتاه، شیلنگ‌ها، لوله‌ها و پمپ‌ها تا حد امکان گرم باشند تا از افت دما جلوگیری شود.
• تسریع در عملیات تکمیلی
  عملیات تکمیلی مانند پرداخت سطحی، ویبره و قالب‌برداری باید در زمان مناسب انجام شود تا بتن فرصت کافی برای محکم شدن پیدا کند، اما در عین حال پیش از یخ‌زدگی انجام شود.

۵. قالب‌برداری، باز کردن قالب و مراحل بعدی

در بتن‌ریزی در هوای سرد، زمان باز کردن قالب باید با احتیاط بیشتری تعیین شود:

• نباید قالب‌ها را خیلی زود برداشت، چون بتن هنوز مقاومت کافی نگرفته است. استانداردها معمولاً توصیه می‌کنند باز کردن قالب پس از رسیدن مقاومت مشخصی یا پس از مدت زمان مناسب انجام شود.
• هنگام باز کردن قالب، باید تدریجاً پوشش محافظ را بردارید تا شوک حرارتی به بتن وارد نشود (مثلاً ابتدا بخش‌هایی که نیاز است، سپس تدریجاً بقیه).
• مراقبت از لبه‌ها و گوشه‌ها که بیشتر در معرض یخ‌زدگی‌اند، اهمیت ویژه دارد.

۶. تست و کنترل دمای بتن و مقاومت

برای اطمینان از اینکه بتن از یخ‌زدگی آسیب نمی‌بیند، لازم است کنترل‌هایی انجام شود:

• کنترل دمای بتن: دماسنج‌های داخل بتن (پروب دما)، ترموکوپل یا سیستم‌های اندازه‌گیری دما باید در نقاط مختلف نمونه‌برداری شوند تا دمای داخل بتن با محیط مقایسه شود.
• پایش مقاومت در سنین اولیه: معمولاً باید اطمینان حاصل شود که بتن به مقاومت حداقلی (مثلاً ~ ۳.۵ MPa یا ۵۰۰ psi) رسیده باشد پیش از قرار گرفتن در معرض یخ‌زدگی.
• تست دوام یخ‌زدگی-ذوب (Freeze-thaw testing) برای سازه‌هایی که تحت سیکل‌های یخ‌زدگی قرار می‌گیرند ضروری است.

۷. راهکارهای نوین و تحقیقاتی

تحقیقات اخیر در زمینه بتن‌ریزی در هوای سرد راهکارهای نوینی ارائه داده‌اند:

• مخلوط بتن ARCTEC (Additive Regulated Concrete for Thermally Extreme Conditions)
  این مخلوط به نحوی طراحی شده که بتواند در دماهای بسیار پایین بتن‌ریزی شود با حداقل محافظت حرارتی.
• بتن هادی الکتریکی برای گرمایش (Electrically conductive concrete)
  در برخی پروژه‌ها از بتن دارای خاصیت هادی استفاده شده است تا بتوان با عبور جریان الکتریکی داخل بتن را گرم کرد و یخ‌زدگی را کنترل نمود.
• مدل‌های شبیه‌سازی حرارتی-رطوبتی (thermo-hygro models)
  در برخی مطالعات برای پیش‌بینی شکل‌گیری درز سرد، توزیع دما و مدل‌سازی ترمودینامیک بتن (به‌ویژه در چاپ بتن سه‌بعدی) استفاده شده‌اند.

مقادیر مرسوم دماها، مقاومت‌ها و دوره‌های محافظت

در این بخش، اعداد و مقادیری که در دستورالعمل‌ها مرسوم‌اند را ارائه می‌دهم:

• در دستورالعمل غیر رسمی MICONCRETE، گفته شده است که دمای بتن تازه باید حداقل ۵۵ °F (~ 13 °C) باشد تا بتوان آن را بدون یخ‌زدگی مدیریت کرد.
• در برخی مستندات ACI و منابع آمریکایی توصیه شده است که دمای بتن تازه بین ۵۰ تا ۷۵ °F (۱۰ تا ۲۴ °C) نگه داشته شود.
• دماهای خیلی بالاتر (بیش از ۷۵ °F) نیز مشکل دارند زیرا ممکن است زمان گیرش بسیار کوتاه شود.
• طبق CIP 27، برای مقاطع با حداقل ضخامت:
  – کمتر از ۱۲ اینچ (≈ ۳۰۰ mm): دمای بتن ≈ ۱۳ °C
  – بین ۱۲ تا ۳۶ اینچ: ≈ ۱۰ °C
  – بین ۳۶ تا ۷۲ اینچ: ≈ ۷ °C (NRMCA)
• حداقل مقاومت اولیه برای جلوگیری از یخ‌زدگی: در بیشتر موارد ~ ۳٫۵ MPa (معادل ~ ۵۰۰ psi) توصیه می‌شود.
• در بسیاری از پروژه‌ها طرح شده است که مقاومت حداقلی ~ ۵ MPa (یا بیشتر) برای مقاومت در برابر سیکل‌های یخ‌زدگی لازم است. مطالعات اخیر نشان داده‌اند که بتن با مقاومت ۵٫۰ MPa می‌تواند در برابر یخ‌زدگی اولیه مقاومت کند.
• دوره حفاظت معمول در دماهای پایین (مثلاً ۰ تا ۴ °C): ممکن است بین ۲ تا ۳ روز باشد. در دماهای پایین‌تر دوره ممکن است به ۶ روز یا بیشتر نیاز باشد.

مثال جدول دوره‌های محافظت:

توجه: این مقادیر عمومی‌اند و باید با شرایط پروژه (نوع سیمان، افزودنی‌ها، ضخامت مقطع، موقعیت جغرافیایی و اقلیم محلی) تطبیق داده شوند.

نکات کاربردی و توصیه‌های اجرایی

برای اینکه احتمال موفقیت در بتن‌ریزی در هوای سرد افزایش یابد، پیشنهادات زیر عملی و قابل اجرا هستند:

1. برنامه‌ریزی کامل پیش از اجرای کار
   کلیه تجهیزات گرمایی، پوشش‌ها، افزودنی‌ها و مصالح، باید پیش از شروع کار آماده باشند. تأخیرها می‌توانند منجر به یخ‌زدگی بتن شوند.
   از پیش بررسی پیش‌بینی هواشناسی برای بازه زمانی اجرای بتن ضروری است.
2. کنترل سریع دمای بتن و ثبت آن
   هنگام بتن‌ریزی و طی دوران محافظت، دماهای مهم (داخل بتن، سطح، محیط) را ثبت کنید تا بتوان در صورت نیاز تدابیر اصلاحی اندیشید.
3. کاهش زمان انتقال و جلوگیری از افت حرارتی
   بتن را تا جای ممکن نزدیک به محل اجرا تولید کنید و از کانال‌های انتقال پیش‌گرم شده یا عایق شده بهره ببرید.
4. اجرای پوشش محافظ بلافاصله پس از بتن‌ریزی
   به محض اتمام پاشش بتن، پوشش حفاظتی (پتو، عایق، پوشش موقتی) را نصب کنید تا سطح بتن در معرض هوای سرد قرار نگیرد.
5. استفاده از لایه‌های حفاظتی تدریجی
   هنگام باز کردن پوشش، آن را تدریجی و مرحله به مرحله جدا کنید تا شوک حرارتی ناگهانی به بتن وارد نشود.
6. مراقبت ویژه از گوشه‌ها و لبه‌ها
   لبه‌ها و گوشه‌ها بیشتر در معرض یخ‌زدگی‌اند؛ پوشش مناسب و تدابیر حرارتی در این نقاط حیاتی است.
7. کنترل رطوبت و نگهداری مرطوب سطح
   حتی در هوای سرد، حفظ رطوبت سطح بتن (با پوشش پلاستیک مرطوب، پتو مرطوب یا مه‌دهی محدود) کمک به هیدراسیون بهتر می‌کند.
8. استفاده منطقی از افزودنی‌ها و دوز بهینه
   افزودنی‌ها را طبق دستورالعمل سازنده و با احتیاط در شرایط سرد به کار ببرید تا از مشکلات ثانویه مثل انقباض زیاد، سرد شدن سریع یا اختلال در کارپذیری جلوگیری شود.
9. احتیاط در باز کردن قالب‌ها و مراحل بعدی
   قالب‌برداری پیش از زمان مناسب ممکن است باعث آسیب به سطح بتن شود. همچنین باز کردن ناگهانی پوشش محافظ ممکن است شوک حرارتی به بتن وارد کند.
10. بازرسی و کنترل پس از اجرا
    پس از اتمام بتن‌ریزی و طی دوره محافظت، بتن باید بررسی شود، ترک‌ها کنترل شود و در صورت نیاز تعمیرات انجام گیرد.

محدودیت‌ها، چالش‌ها و نقاط کنترل ریسک

• اگر دما بسیار پایین باشد (مثلاً کمتر از –۱۲ °C یا –۱۵ °C)، اجرای بتن‌ریزی معمولی ممکن است ناایمن باشد و نیاز به طراحی ویژه یا روش جایگزین باشد.
• گرمایش زیاد مصالح یا بتن هم ممکن است منجر به مشکلاتی چون افزایش سریع واکنش، ترک‌های حرارتی، جمع‌شدگی زیاد یا ایجاد تنش شود.
• پوشش محافظ اگر به‌درستی نصب نشود یا فواصل زمانی آن رعایت نشود، ممکن است عایق مؤثر نباشد.
• خطا در اندازه‌گیری دما، زمان‌بندی نامناسب یا تأخیر در اجرای پوشش‌ها می‌تواند منجر به شکست بتن تازه شود.
• اگر پروژه در منطقه‌ای باشد که نوسان دمای زیاد دارد (هوای سرد ناگهانی) باید احتیاط بیشتری به خرج داد و امکان افزایش دوره محافظت را در نظر گرفت.

سخن پایانی

بتن‌ریزی در هوای سرد اگر با برنامه‌ریزی دقیق، انتخاب مناسب مصالح و افزودنی‌ها، محافظت حرارتی کافی و اجرای دقیق همراه باشد، می‌تواند به همان کیفیت بتن در شرایط عادی دست یافت یا حتی عملکرد خوبی ارائه دهد. راهنمای ACI 306 و دیگر دستورالعمل‌ها پایه‌های خوبی برای اجرای این کار هستند.

در نهایت، موفقیت در بتن‌ریزی در هوای سرد به میزان زیادی به تجربه عملی، شناخت شرایط محلی، کنترل دما و محافظت به موقع وابسته است. پیشنهاد می‌کنم این مقاله را به عنوان چارچوب استفاده کرده و بر اساس شرایط اقلیمی ایران (یا منطقه‌ای که پروژه دارید) تنظیمات لازم را انجام دهید.

پرسش های متداول